钛酸锶钡铁电薄膜的制备及电热效应

论文摘要

为了保护生态环境,防止大气臭氧层遭到日趋严重的破坏,在全世界将限制和禁止传统的致冷材料-氟利昂。因此探索和发展无氟致冷技术是全世界所面临的亟待解决的重大课题。目前,人们主要在两个方面从事研究:一是研制氟利昂的替代物质,二是根据不同的致冷原理,寻找新的致冷材料。另外电子器件的小型化和集成化使器件的温度升高,而传统冷却技术（如风扇）已经不能满足其致冷要求,需要新型的致冷技术。铁电材料的致冷原理与传统的不同,具有热释电效应的铁电材料,在绝热去极化的条件下温度会降低,称之为电热效应。具有电热效应的铁电材料就可以作为新型致冷材料。钛酸锶钡铁电薄膜材料具有电热效应,同时又不含有铅类有害物质,可用于铁电致冷,比含铅的铁电材料更具有环保意义。本文采用溶胶-凝胶技术结合传统和快速退火方式在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了不同组分BaxSr1-xTiO3（x=01）（简记为BST）铁电薄膜和掺La的BST铁电薄膜。系统地研究了不同热处理工艺对BST薄膜微观结构的影响,分析了晶粒生长的机制,通过介电、铁电测试得到了不同组分BST的居里温度以及电滞回线,并计算出了电热温变值。通过XRD、SEM、AFM测试手段研究分析了热处理过程对BST薄膜的影响。退火温度对薄膜结晶程度有重要的影响,为了得到完全结晶的BST薄膜,退火温度要在750℃以上。随着退火温度的升高,晶粒尺寸变大薄膜表面粗糙度变大;预烧温度要高于350℃,预烧温度的变化没有改变薄膜的取向;退火和预烧时间的延长,晶粒长大且更加均匀,表面粗糙度降低。传统和快速退火方式都得到了结晶取向为（110）、（200）、（211）的多晶薄膜,传统退火得到的晶粒大于快速退火的晶粒。溶胶-凝胶法成膜过程是成核和晶核长大的过程。传统退火方式升温速度慢,主要是晶核生长过程,快速退火方式升温速度快,主要是形核过程。不同成分对薄膜的微结构及性能也有影响。将制备的不同Ba/Sr比例的BST薄膜相比较,随着Sr含量的增多,BST的晶胞参数变小,薄膜晶粒有变大的趋势,表面粗糙度也有所降低。更多Sr的加入也使BST薄膜的居里温度和介电常数降低。La元素掺杂使晶粒尺寸变大,但是La有利于粗糙度的降低,使薄膜表面更加均匀。通过对不同BST薄膜电热效应的结果分析得出,电热温变随温度的升高而逐渐增大。当薄膜温度升到居里温度时,薄膜的电热温变达到最大值,然后减小。Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜的电热温变的最大值为ΔT=4.8K。La元素的掺杂增大了BST薄膜的电热效应,当La掺杂浓度为1mol%时,Ba0.7Sr0.3La0.01TiO3薄膜电热效应的最大值为ΔT=6.2K。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的意义
• 1.2 铁电制冷原理
• 1.3 铁电致冷材料的研究进展
• 1.3.1 致冷体材料的研究进展
• 1.3.2 致冷薄膜材料的研究进展
• 1.4 BST铁电材料的概述
• 1.4.1 BST晶体结构
• 1.4.2 BST铁电薄膜的应用
• 1.4.3 BST铁电薄膜的掺杂改性
• 1.5 BST铁电薄膜的制备技术
• 1.5.1 脉冲激光沉积技术（PLD）
• 1.5.2 射频磁控溅射技术（RF Magnetron Sputtering）
• 1.5.3 金属有机化学气相沉积技术（MOCVD）
• 1.5.4 溶胶凝胶技术（sol-gel）
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 实验材料与测试方法
• 2.1 BST薄膜的制备
• 2.1.1 BST溶胶制备的原料
• 2.1.2 BST薄膜制备的仪器
• 2.2 BST粉体分析
• 2.2.1 粉体的热重/差热分析
• 2.2.2 粉体的红外分析
• 2.2.3 粉体的XRD分析
• 2.2.4 粉体的SEM分析
• 2.3 BST薄膜分析
• 2.3.1 薄膜的XRD分析
• 2.3.2 薄膜的SEM分析
• 2.3.3 薄膜的AFM分析
• 2.4 BST薄膜性能测试
• 2.4.1 薄膜上电极的制备
• 2.4.2 薄膜介电性能的测定
• 2.4.3 薄膜铁电性能的测定
• 第3章 BST溶胶及粉体的制备和表征
• 3.1 BST溶胶的制备
• 3.1.1 金属化合物
• 3.1.2 溶剂的选择
• 3.1.3 加水量
• 3.1.4 水解温度
• 3.1.5 溶胶浓度
• 3.1.6 BST溶胶制备流程
• 3.2 BST粉体表征
• 3.2.1 粉体热行为分析
• 3.2.2 粉体红外分析
• 3.2.3 粉体相组成分析
• 3.2.4 粉体表面形貌分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 BST铁电薄膜的制备及分析
• 4.1 BST薄膜的制备
• 4.2 溶胶浓度对BST薄膜的影响
• 4.3 不同退火温度制备BST薄膜的分析
• 4.3.1 XRD对相组成的分析
• 4.3.2 SEM对形貌的分析
• 4.3.3 AFM对BST形貌的分析
• 4.4 不同退火时间制备BST薄膜的分析
• 4.4.1 XRD对相组成的分析
• 4.4.2 AFM对BST形貌的分析
• 4.5 不同预烧温度制备BST薄膜的分析
• 4.5.1 XRD对相组成的分析
• 4.5.2 AFM对BST形貌的分析
• 4.6 不同预烧时间制备BST薄膜的分析
• 4.6.1 XRD对相组成的分析
• 4.7 晶粒生长机制分析
• 4.8 不同组分的BST薄膜的分析
• 4.8.1 XRD对相组成的分析
• 4.8.2 AFM对BST形貌的分析
• 4.9 La掺杂BST的相结构
• 4.9.1 XRD对相组成的分析
• 4.9.2 AFM对形貌的分析
• 4.10 本章小结
• 第5章 BST铁电薄膜的电热性能
• 5.1 BST的介温性能测试
• 5.2 BST的铁电性能测试及电热效应
• 0.7Sr_0.3TiO₃薄膜的电热效应'>5.2.1 Ba_0.7Sr_0.3TiO₃薄膜的电热效应
• 0.7Sr_0.3TiO₃薄膜的电热效应'>5.2.2 La掺杂Ba_0.7Sr_0.3TiO₃薄膜的电热效应
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢